1899年12月6日，清王朝任命袁世凱署理山東巡撫，仍舊節制武衛右軍即新建陸軍。1900年3月14日實授山東巡撫。1901年11月7日，袁世凱奉命署理直隸總督兼北洋大臣，離開山東到了保定。袁世凱在山東巡撫的位上待了共1年又11個月。
19世紀末20世紀初，中國正處於風雨飄搖的激劇動盪之中。甲午戰爭後，帝國主義掀起了瓜分中國的狂潮。處於東部沿海又當京都門戶的山東自然更是列強們爭奪的熱點。德、英帝國主義先後強行租借了山東的膠澳及威海；與此同時，各國教會勢力也加緊了對山東的侵略，民族矛盾空前尖銳。為挽救民族危亡，山東各地人民紛紛舉起反帝鬥爭的大旗，不斷掀起反抗活動，並終於促使轟轟烈烈的義和團運動首先在山東爆發。
義和團運動提出“扶清滅洋”的口號，本身存在著封建迷信、愚昧落後、盲目排外、組織渙散等天然不足；但它的興起是由帝國主義的侵略所導致，是一場中國人民反對帝國主義侵略欺凌的愛國運動。正因為如此，它也得到了少數封建官僚的同情和庇護。袁世凱的前任山東巡撫毓賢曾經殘殺過義和拳的著名領袖朱紅燈等人，後來也終於改變了策略，由主剿一變而為主撫，奏請朝廷要“固結民心”。他的主張得到了某些官員的贊成。
帝國主義極端仇視義和團，對毓賢非常不滿，要求清政府撤換山東巡撫，並提示讓袁世凱繼任。帝國主義之所以特別欣賞袁，是因其手中擁有一支新式的武裝，能夠按照列強的要求辦事。袁世凱的晉升，適應了帝國主義的需要。他在山東巡撫任期之內，主要的“勞績”便是剿滅義和團。
時任山東巡撫袁世凱與德國官員 。
袁世凱上任路經德州時，召見了堅決主張鎮壓義和拳的吳橋縣令勞乃宣，稱讚他的“請明降諭旨懲辦拳“匪”折所述頗中肯要”，並電促直隸總督裕祿奏請剿辦義和拳。12月26日，袁世凱到達濟南接任新職。次日即頒佈《禁止義和拳匪告示》，大肆恐嚇，揚言必將義和團盡行剿絕。
對義和團仇教的原因，袁世凱心中是十分清楚的。他在1900年1月13日的奏摺中說過；“東省民教積不相能，推究本原，實由地方州縣各官平時為傳教洋人挾制，不能按照約章持平辦案。……良民鬱極思逞，乃起而與教士教民為難。”可是，他又認為義和團比帝國主義列強還要可怕，列強雖然很厲害，碰不得，但只要處處順從，清政府照樣能夠維持統治，自己照樣可以升官發財。而義和團則不然，它發展壯大以後，會把整個清王朝埋葬，這對他自己也是滅頂之災。因此，袁世凱任巡撫後，一面命各州縣每日稟報本境有無義和團蹤跡，帶領馬步親兵，“認真防範”，“懸賞購線”，“拿獲首要，解散脅從”，“盡法懲辦，以儆邪暴，而絕根株。”（《山東義和團案卷》上冊，第23、256、386頁）一面派出7000武衛右軍，勾結青島的德軍和各地教堂武裝，到處搜捕屠殺。“與諸軍約雲：如匪至即放炮，必不咎汝；若匪至不痛擊，則將領以下概正法。”《義和團》叢刊第1冊，第254頁）廣大義和團民對袁世凱恨之入骨，人人皆欲得而殺之。他們到處散發揭貼，罵他是“袁奸雄”；“殺了袁黿蛋，我們好吃飯”的歌謠，在民間廣泛流傳。有一次團民還在巡撫衙門的壁牆上畫了一個頭戴紅頂花翎的大烏龜，奴氣十足地趴在洋人屁股後面，譏諷袁世凱。
1900年6月，直隸境內的義和團發展極為迅猛，並且大批湧進了北京。清王朝慈禧集團為防止“禍起肘腋”，免遭滅亡的命運，利用義和團抵擋與之有一定矛盾的帝國主義，便暫時改換方針，宣佈義和團為“義民”，進行“安撫”。列強見此，決定直接出兵剿平。6月10日，俄、英、美、法、日、德、意、奧八國組成的聯合侵略軍，在英國海軍將領西摩爾率領下，由天津向北京進犯。慈禧慌了手腳，15日，急命袁世凱帶隊或派得力將領統帶，前往援助。17日，侵略軍攻佔大沽炮臺。也就在這一天，袁接到了勤王諭旨。
過去，慈禧聽命於洋主子，袁世凱處事自如。而今慈禧與列強鬧翻且要與之交鋒，這就給了袁世凱一個非常棘手的難題：不派兵，得罪於慈禧，將來前程不堪設想；派兵，得罪於洋人，苦心經營的軍事實力會在戰爭中消耗精光，向上爬的資本會喪失殆盡。何況還有大股小股的義和團與之作對。然而，袁世凱畢竟詭計多端，他終於想出了一個“妙計”，即藉口列強將乘虛而入、義和團將趁機而起，而僅派少數人馬搪塞，保存軍事實力，避免同列強交戰。清政府見袁說山東海防緊要，又令其停止派兵進京。他本不願派，續命一到，樂得趕快撤回。
對義和團，袁世凱則表現得空前殘忍和兇狂。他認定：“維持大局，其要先在保全東境；保全東境，其要先在斷絕匪蹤。”籌辦防務“其要仍在先緝辦內地匪徒。匪徒不來，洋兵亦不至分道東來。”總之，“剿匪”保教“為第一要圖。”他還向鄰近直隸的州縣和駐軍下達了命令：“直匪以鬧教為名，馴至聚眾倡亂，引敵深入，敗壞大局，極堪痛恨。如犯東境，應即迎頭痛剿，以資懲創。”同時“分繕諭單，派員飭赴各屬剴切示諭，果系忠憤義民，欲為國家效力，諭令其即日馳往天津等處，幫助官軍齊心拒敵，以伸同仇之忱。倘畏葸不前，仍復結黨橫行，搶掠滋事，即系亂民而非義和。”這個主意既能把部分團民騙出山東，減輕自己的壓力，假帝國主義的洋槍洋炮消滅他們，又為繼續屠殺境內團民製造了一個堂皇根據。自此之後。他即以團民均赴前敵助戰為藉口，把山東境內和由直隸進入山東的團民，一概視之為黑團、土匪、亂民。他數次頒發《嚴禁拳匪暫行章程》，主要內容有“州縣官吏必須認真訪查緝辦，倘所管境內有設廠教習者，即將該管州縣照縱匪例從嚴參辦”；命令州縣清查保甲，編髮門牌，實行十家連坐；莊長、首事、地保必須隨時稟報，如“徇隱不報”，“即加監禁”，“與匪相通”，“即行正法”；父兄縱聽子弟學拳，除將子弟正法外，父兄監禁3年；命令軍隊認真梭巡，扼要堵緝，分投查拿，合力圍捕。拳匪一經發現，即“馳往痛剿”，“倘敢拒捕，格殺勿論”，務必“悉數殲除”，“無留餘孽，以杜竄擾，而盡根株”。他不僅命令軍隊在山東剿捕，而且越境到直隸剿捕，以剿為防。對屠殺有功人員，他慷慨獎賞，竭力鼓勵，當官的記功晉級加俸祿，當兵的賞銀錢，逼迫誘惑官兵鄉勇瘋狂對義和團進行圍剿。袁世凱到底殺了多少義和團民，無法進行確切統計。據袁的部下孟繼武估計，山東全境被當場擊殺和送縣或解省正法的團民，約有數萬人。袁世凱自己則稱“東省拳匪剿辦殆盡。”
袁世凱剿團保教的“業績”和投降媚洋的舉動，贏得了列強的一致讚賞，把他倚若長城，並給予回報。當時，南侵的八國聯軍一看到山東界牌和村鎮牆壁上書寫的“此山東境”幾個字，便掉頭而回，不相進犯。
作為山東巡撫的袁世凱，在任期間大量的、主要的精力都用於了鎮壓義和團運動。當然，在此同時，他也倡導並採取了一些旨在企圖挽救封建統治的“新政”。這些新政措施從一定意義上講也是有社會進步意義的。經過義和團運動和八國聯軍入侵，清政府實際已到了內外交困、搖搖欲墜的崩潰境地。為了挽救瀕臨危亡的封建統治局面，1901年1月，清政府被迫發出“變法”上諭，宣佈“維新新政”。“變法”上諭下達後，各省大吏紛紛遵旨行動。袁世凱更是表現出了異常的熱心，積極賣力。4月25日，他向朝廷貢獻出了籌辦新政辦法10條，即慎號令、教官吏、崇實學、增實科、開民智、重遊歷、定使例、辨名實、裕度支、修武備。並在山東推行了一系列的“新政”改革措施。這些措施大都為後任的山東巡撫所認同。歸納這些“新政”措施，大致包括以下幾方面的內容：
一是裁改制兵防勇，編建新軍巡警。袁世凱對山東原34勇營進行了一番改編整頓。把原嵩武、東字等16勇營參照武衛右軍章程，更定營制，另訂餉章，增立一軍，名為武衛右軍先鋒隊，而把其餘各營編作左右翼防軍與沿海防軍“均仍照向來營制餉章支發”。在編練新軍的同時，山東官府還編練了巡警。在此過程中，山東官府還興辦了一批具有近代軍事與警務教育性質的學校。
二是廢除科舉制度，興辦新式學校。1901年9月，巡撫袁世凱在全國率先改設山東大學堂，並擬試辦章程。依照學堂章程，山東大學堂內設備齋（相當於小學堂）、正齋（相當於中學堂）與專齋（相當於大學堂）3項。鑑於當時各府州縣尚未設立中、小學堂，因此山東大學堂僅設備齋與正齋，“一俟各府州縣學堂依次有成，再行察看情形進立專齋。”章程還規定：備齋課程2年畢業，內設經史、國朝掌故、外語、文字、算術等初級課程；正齋4年畢業，內分政學與藝學兩科。政學科有中國經學、中外史學、中外治法學等課程，藝學科有算學、天文、地質、測量、化學、生物、譯學等課程。山東大學堂成立後第一年度招考學生300多人。以後課程與生源又不斷增多。到1905年，清政府被迫採納了袁世凱、張之洞等人關於停止科舉的建議，到此，流行了千百年的科舉制被完全廢除。
三是鼓勵發展實業，振興農工商務。為抵制外國，特別是德國在山東的經濟利益，1901年袁世凱奏設商務局，並擬定《試辦商務局暫時章程》。章程規定：凡“有裨商務，能興巨利而著明效者”，資本不足，官府可酌籌金給予資助；“凡創設公司，擴充商業，振興工藝，藉以開通風氣，利益民生”，確有成效者，將“分別給獎，以為通商惠工者勸”。另外，章程還做出了保護工商人士學習西法工藝製造各種日用產品；鼓勵商人興建商務學堂、出國考察商務、刊印商務報刊、宣傳中外商情及關涉商務一切事宜；調查全省物產以利貿易出口和成立商會等各項條款。商務局成立後，袁世凱調“洞諳交涉，練習商情”的唐紹儀總司局務，並委用候補道員孟繼笙和試用道員蕭應椿會同辦理。1902年，商務局改為農工商務局，仍以“振興實業為宗旨，統一管理全省的商務、栽種、養桑、墾殖、工藝等各項實業。在舉辦各項實業中，山東官府鑑於財力不足，還分別採取官辦、官督商辦與“民捐民辦”等多種形式，尤其鼓勵民捐民辦，並規定：“事業辦成，確有明效，或予以專利，或酌量請獎。”由於政府的提倡與鼓勵，山東興辦實業的風氣漸開，從此大批民辦實業相繼發展起來。
或許也正是由於袁世凱在山東巡撫任上，能夠在極其錯綜複雜的環境裡應付裕如，“懷柔遠危”，獲得了山東官僚、地主階級及封建清王朝和各國列強的同聲喝彩。1901年11月7日，袁世凱被授為署理直隸總督兼北洋大臣。同月21日，他將山東巡撫任內諸事交待完畢起程北上，從此進入了晚清王朝封建統治集團的上層。
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